RU2567770C2

RU2567770C2 - Method of producing diamond-like carbon and device to this end

Info

Publication number: RU2567770C2
Application number: RU2013137080/02A
Authority: RU
Inventors: Александр Петрович Семенов; Ирина Александровна Семенова
Priority date: 2013-08-06
Filing date: 2013-08-06
Publication date: 2015-11-10
Also published as: RU2013137080A

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: claimed method can be used for surface-hardening of cutting edges of tools, particularly, surgical tools, and coating of field-emission cathode blade surfaces. Proposed method comprises the steps that follow. Generation of gas-discharge plasma and HV emission of sputtering ions from plasma. Graphite target is sprayed by accelerated ions of plasma-forming inert gas to obtain carbon vapours. Carbon vapours and ions are condensed on substrate that contacts with gas-discharge plasma. Carbon vapour flow is forced in cathode and anode chambers via bore in hollow cathode bottom towards the flow of ionizing ions accelerated to 10 kV to ionize them at discharge with hollow cathode. Portion of carbon vapour flow is released via emission channel in reflection cathode in one direction with the flow of formed carbon ions and those of plasma-forming inert gas. Carbon vapours and ions are deposited at direct control effects of plasma-forming ions of inert gas with energy of 0.12 keV. Claimed device comprises graphite target, hollow and reflecting cathodes, cylindrical anode, magnetic system, inert plasma-forming gas feed system, power supplies and substrate. Cylindrical hollow cathode end walls have two axial aligned bores. Graphite target isolated from hollow cathode is fitted in one bore at said bottom at high negative electric potential. Another bore communicates cathode and anode chambers. Reflecting cathode has axial emission channel with substrate at its periphery at negative electric potential. Carbon vapours, carbon ions and plasma-forming argon gas ions are directed thereto.

EFFECT: reliable protection of substrates, higher hardness, low friction and high emissive capacity.

2 cl, 4 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к технике нанесения покрытий путем проведения неравновесных процессов, объединяющих распыление графита ионами килоэлектронвольтных энергий, осаждение распыленных атомов углерода и ионов углерода в условиях ассистированного облучения ионами плазмообразующего газа в вакууме. Может быть использовано для упрочнения рабочих кромок лезвийного режущего инструмента, в частности хирургического, и покрытия острийных поверхностей автоэмиссионных катодов. Защиты от химически агрессивных сред и повышенных температур, требующих химической инертности и биосовместимости покрытий, высокой твердости и низкого трения, высокой эмиссионной способности.The invention relates to a coating technique by carrying out non-equilibrium processes combining the atomization of graphite by ions of kiloelectron-volt energies, the deposition of atomized carbon atoms and carbon ions under conditions of assisted irradiation by plasma-forming gas ions in vacuum. It can be used to harden the working edges of a blade cutting tool, in particular surgical, and to cover the tip surfaces of field emission cathodes. Protection against chemically aggressive environments and elevated temperatures, requiring chemical inertness and biocompatibility of coatings, high hardness and low friction, high emissivity.

Известен способ нанесения алмазоподобной углеродной пленки на подложку из органического стекла (патент RU 2401883, С23С 16/26, 2008). В ионный источник подают пары толуола С₇Н₈ до давления 0,05-0,1 Па, изменяют мощность ионного источника в пределах 60-80 Вт и напряжение смещения подложки от -100 до -200 В и в течение 5-10 мин наносят защитный слой толщиной 80-120 нм. Основной вклад в скорость роста покрытия определяется содержанием толуола и мощностью ионного источника. Подложку с подложкодержателем устанавливают наклонно и подвижно относительно оси распространения плазмы от ионного источника. При напряжении смещения подложки от -100 до -200 В и мощности ионного источника 60-80 Вт средняя кинетическая энергия ионов приближается к значениям 80-100 эВ и образуется плотный слой, значительно устойчивее к механическим, температурным, химическим и другим разрушающим воздействиям. Несмотря на упрощение процесса нанесения покрытий в единой технологической установке, обеспечение адгезии защитного слоя с органическим стеклом, исключение употребления инертного газа, уменьшение времени процесса и используемой электроэнергии, основным недостатком способа является использование высокотоксичного плазмообразующего газа толуола, низкая эффективность процесса, сложность управления и недостаточная воспроизводимость свойств покрытий.A known method of applying a diamond-like carbon film on an organic glass substrate (patent RU 2401883, C23C 16/26, 2008). Vapor of toluene C ₇ H _{8 is} supplied to the ion source to a pressure of 0.05-0.1 Pa, the ion source power is varied within 60-80 W and the substrate bias voltage is from -100 to -200 V and applied for 5-10 minutes protective layer 80-120 nm thick. The main contribution to the growth rate of the coating is determined by the toluene content and the power of the ion source. The substrate with the substrate holder is installed obliquely and movably relative to the axis of plasma propagation from the ion source. When the substrate bias voltage is from -100 to -200 V and the ion source power is 60-80 W, the average kinetic energy of the ions approaches 80-100 eV and a dense layer forms, which is much more resistant to mechanical, temperature, chemical and other destructive influences. Despite the simplification of the coating process in a single technological installation, ensuring the adhesion of the protective layer with organic glass, eliminating the use of inert gas, reducing the process time and the energy used, the main disadvantage of the method is the use of highly toxic plasma-forming toluene gas, low process efficiency, control complexity and lack of reproducibility coating properties.

Известен способ получения износостойких сверхтвердых покрытий (патент RU 2360032, С23С 14/24), характеризующийся повышенной адгезией, износостойкостью и температурной стабильностью. Алмазоподобное углеродное покрытие наносят катодным распылением графита, или лазерным распылением графита, или плазменной деструкцией углеродсодержащих газов, или паров углеродсодержащих жидкостей в виде многослойного покрытия, при этом осуществляют по меньшей мере однократное чередование нанесения слоя алмазоподобной пленки и обработки ее ионами газов, таких как аргон, неон, ксенон, криптон, кислород, азот, водород, фреоны, углеводороды или их смеси при давлении их 10^-3-10 Па. Недостатком способа получения высокопрочных углеродных алмазоподобных покрытий является недостаточная адгезия наносимых покрытий к различным инструментальным сталям при толщине покрытий более 1 мкм вследствие высоких внутренних напряжений в самой алмазоподобной пленке. Это, в свою очередь, приводит к недостаточной износостойкости и температурной стабильности алмазоподобных покрытий, особенно на инструментальных сталях.A known method of obtaining wear-resistant superhard coatings (patent RU 2360032, C23C 14/24), characterized by increased adhesion, wear resistance and temperature stability. An diamond-like carbon coating is applied by cathodic sputtering of graphite, or by laser sputtering of graphite, or by plasma destruction of carbon-containing gases, or vapors of carbon-containing liquids in the form of a multilayer coating, at least one alternation of applying a layer of a diamond-like film and processing it with gas ions such as argon, neon, xenon, krypton, oxygen, nitrogen, hydrogen, freons, hydrocarbons or mixtures thereof at a pressure of 10 ^-3 -10 Pa. The disadvantage of the method of producing high-strength carbon diamond-like coatings is the insufficient adhesion of the applied coatings to various tool steels with a coating thickness of more than 1 μm due to high internal stresses in the diamond-like film itself. This, in turn, leads to insufficient wear resistance and temperature stability of diamond-like coatings, especially on tool steels.

Известен способ получения алмазоподобной пленки (патент RU 2254397 С23С 14/06, 2003). Способ включает установку подложки в разрядной камере, вакуумирование камеры, подачу углеродсодержащей газовой рабочей среды в камеру и создание в ней плазменного разряда с последующим выдерживанием режима плазменного разряда в течение времени осаждения алмазоподобной пленки. Углеродсодержащую газовую рабочую среду подают в виде газовой взвеси, которую создают перед подачей путем распыления вне камеры в газе пониженного давления твердых углеродсодержащих частиц предварительно сформированной заданной структуры, размера и состава. Обеспечивается улучшение качества пленки за счет улучшения структуры и состава алмазоподобной пленки. Существенным недостатком является трудность подготовки газовой смеси путем стороннего распыления твердых углеродсодержащих частиц.A known method of producing a diamond-like film (patent RU 2254397 C23C 14/06, 2003). The method includes installing a substrate in the discharge chamber, evacuating the chamber, supplying a carbon-containing gas working medium to the chamber and creating a plasma discharge in it, followed by maintaining the plasma discharge mode during the deposition time of the diamond-like film. The carbon-containing gas working medium is supplied in the form of a gas suspension, which is created prior to supply by spraying outside the chamber in a reduced pressure gas of solid carbon-containing particles of a preformed predetermined structure, size and composition. The film quality is improved by improving the structure and composition of the diamond-like film. A significant drawback is the difficulty of preparing the gas mixture by third-party spraying of solid carbon-containing particles.

Известен способ получения алмазоподобных пленок для инкапсуляции солнечных фотоэлектрических элементов (патент RU 2244983, С23С 16/26, 2003). Сущность изобретения состоит в том, что в процессе получения алмазоподобных пленок для инкапсуляции солнечных фотоэлектрических элементов кинетическую энергию ионов, ток плазменного разряда и пространственное распределение плотности плазмы с составом ионов С+, Н+, N+ и Ar+ изменяют воздействием на поток ионов от радиального источника электрическим полем, которое формируется диафрагмирующим, нейтрализующим и ускоряющим кольцевыми электродами. Технический результат изобретения: получение однородных (с разбросом значений оптических параметров не более 5%) алмазоподобных пленок на поверхности солнечных фотоэлектрических элементов площадью более 110 см² с варьируемыми в заданных пределах оптическими параметрами, а также с высокой адгезией, микротвердостью и устойчивостью к агрессивным воздействиям. К недостаткам способа относится сложность контроля однородности пространственного распределения плазмы путем измерения плотности тока плазмы на поверхности солнечных фотоэлектрических элементов, температуру которой поддерживают не выше 80°C. Кроме того, подложкодержатель совершает сложное трехосевое движение в вакуумной камере. Применение дополнительных диафрагмирующих, нейтрализующих и ускоряющих кольцевых электродов. Трудности измерения и контроля однородности пространственного распределения плазмы, измерением плотности тока плазмы на поверхности солнечных фотоэлектрических элементов. Необходимость поддержания содержания углеводорода в газовой смеси в пределах от 2 до 40%.A known method of producing diamond-like films for the encapsulation of solar photovoltaic cells (patent RU 2244983, C23C 16/26, 2003). The essence of the invention lies in the fact that in the process of obtaining diamond-like films for encapsulating solar photovoltaic cells, the kinetic energy of ions, the plasma discharge current and the spatial distribution of plasma density with the composition of ions C +, H +, N + and Ar + are changed by the action of an electric current on the ion flux from a radial source field, which is formed by a diaphragm, neutralizing and accelerating ring electrodes. The technical result of the invention: obtaining homogeneous (with a scatter of optical parameters of not more than 5%) diamond-like films on the surface of solar photovoltaic cells with an area of more than 110 cm ² with optical parameters varying within specified limits, as well as with high adhesion, microhardness and resistance to aggressive influences. The disadvantages of the method include the difficulty of controlling the uniformity of the spatial distribution of the plasma by measuring the plasma current density on the surface of solar photovoltaic cells, the temperature of which is maintained no higher than 80 ° C. In addition, the substrate holder performs a complex three-axis movement in a vacuum chamber. The use of additional diaphragm, neutralizing and accelerating ring electrodes. Difficulties in measuring and controlling the uniformity of the spatial distribution of the plasma, by measuring the plasma current density on the surface of solar photovoltaic cells. The need to maintain the hydrocarbon content in the gas mixture in the range from 2 to 40%.

Известно устройство для получения алмазоподобного покрытия (патент RU 2095466, С23С 14/32, 1995), позволяющее получать алмазоподобные покрытия на изделиях любых размеров с высокой производительностью. Устройство содержит камеру с патрубками подвода и отвода газов, два катода, анод и источник магнитного поля в виде постоянных магнитов с чередующейся полярностью, равноудаленных от поверхности изделия, один из катодов установлен на источнике магнитного поля, вторым катодом является само изделие. Анод выполнен в виде пластины, расположенной между катодами, причем отверстия в аноде по форме, размерам и количеству соответствует форме, размерам и количеству постоянных магнитов. Кроме того, для повышения производительности устройства источник магнитного поля выполнен в виде постоянных магнитов, установленных на магнитопроводе из магнитомягкого материала. Нанесение алмазоподобного покрытия ведут, подавая на анод положительный потенциал (обычно 1 кВ), в среде углеводорода при давлении 10^-2-10^-1 Па. Главным недостатком является неконтролируемое облучение плазменными ионами поверхности изделия, выполняющего функции катода высокое напряжение горения разряда, и невозможность снижения энергии ионов, падающих на растущую пленку и применение наряду с инертным газом газообразных углеводородов.A device for producing a diamond-like coating is known (patent RU 2095466, С23С 14/32, 1995), which makes it possible to obtain diamond-like coatings on products of any size with high performance. The device contains a chamber with gas supply and exhaust pipes, two cathodes, an anode and a magnetic field source in the form of permanent magnets with alternating polarity equidistant from the surface of the product, one of the cathodes is mounted on the magnetic field source, the second cathode is the product itself. The anode is made in the form of a plate located between the cathodes, and the holes in the anode in shape, size and quantity correspond to the shape, size and number of permanent magnets. In addition, to increase the productivity of the device, the magnetic field source is made in the form of permanent magnets mounted on a magnetic core of soft magnetic material. The diamond-like coating is applied by applying a positive potential (usually 1 kV) to the anode in a hydrocarbon medium at a pressure of 10 ^-2 -10 ^-1 Pa. The main disadvantage is the uncontrolled plasma ion irradiation of the surface of the product, which performs the function of a cathode, a high discharge burning voltage, and the inability to reduce the energy of ions falling on the growing film and the use of gaseous hydrocarbons along with an inert gas.

Известен способ нанесения аморфного углеводородного покрытия (патент RU 2382116, С23С 14/16, 2008), обладающего высокой твердостью, химической инертностью, низким трением, высоким электросопротивлением и теплопроводностью, с использованием плазменного катода, содержащего полый катод, поджигающий электрод и анодную сетку. Формирование покрытия осуществляется зажиганием несамостоятельного импульсно-периодического электрического разряда при подаче импульсно-периодического напряжения между стенками плазменной камеры и анодом в смеси химически инертного газа аргона Ar и углеводородсодержащего газа C₂H₂ ацетилена. Общим недостатком способа осаждения аморфных алмазоподобных углеводородных покрытий является необходимость активируемого плазмой электрического разряда разложения газообразных токсичных соединений углеводородсодержащего газа C₂H₂. Кроме того, недостатком является сложность многоступенчатой газоразрядной структуры, использование импульсных источников питания и, как следствие, - низкая энергоэффективность и надежность, сложность управления процессом нанесения покрытия и сложность технического решения в совокупности.A known method of applying an amorphous hydrocarbon coating (patent RU 2382116, C23C 14/16, 2008), having high hardness, chemical inertness, low friction, high electrical resistance and thermal conductivity, using a plasma cathode containing a hollow cathode, an ignition electrode and an anode grid. The coating is formed by igniting a non-self-sustained periodic-electric discharge when a periodic-periodic voltage is applied between the walls of the plasma chamber and the anode in a mixture of chemically inert argon gas Ar and a hydrocarbon-containing gas C ₂ H ₂ acetylene. A common disadvantage of the method of deposition of amorphous diamond-like hydrocarbon coatings is the need for plasma-activated electrical discharge decomposition of gaseous toxic compounds of hydrocarbon-containing gas C ₂ H ₂ . In addition, the disadvantage is the complexity of the multi-stage gas-discharge structure, the use of switching power supplies and, as a consequence, low energy efficiency and reliability, the complexity of controlling the coating process and the complexity of the technical solution in the aggregate.

Известен способ получения алмазоподобных слоев (патент RU 1610949, С30В 23/02, 1988), который включает распыление мишени из графита импульсным TEA СО₂ - лазером с плотностью мощности излучения ~10⁸ Вт/см². Энергия в импульсе 1,3 Дж. Пары осаждают на подложку, расположенную от мишени на расстоянии не менее 10^-3 Па. Недостаток данного способа состоит в низком качестве покрытий (покрытия рыхлые, сильно дефектные), недостаточной производительности и невозможности нанесения однородных покрытий на большие площади, трудности воспроизведения режимов осаждения и крайне низком коэффициенте использования испаряемого материала (графита).A known method for producing diamond-like layers (patent RU 1610949, C30B 23/02, 1988), which includes sputtering a graphite target with a pulsed TEA CO ₂ laser with a radiation power density of ~ 10 ⁸ W / cm ² . The energy per pulse is 1.3 J. Vapors are deposited on a substrate located at least 10 ^-3 Pa from the target. The disadvantage of this method is the low quality of coatings (coatings are friable, highly defective), insufficient productivity and the inability to apply uniform coatings over large areas, the difficulty of reproducing deposition modes and the extremely low utilization of the evaporated material (graphite).

Известны способы получения покрытий - с алмазоподобной структурой (патент RU 2105379, С23С 16/26, 1994), защитных покрытий (патент RU 2048607, С23С 16/26 1989), наноструктурированных алмазных покрытий (патент RU 2456387, С23С 16/513, 2010), алмазного покрытия из паровой фазы (патент RU 2032765, С23С 14/00, 1988), слоев алмазоподобного углерода (патент RU 2205894, С23С 16/26, 1998). В известных способах нанесения покрытий на подложку используется плазма СВЧ-разряда. Либо в режиме электронного циклотронного резонанса в атмосфере рабочего газа или смеси газов, либо химическим осаждением из газовой фазы в СВЧ-плазме, либо из тепловой плазмы на постоянном токе с радикализацией газообразного углеродного соединения в плазменной струе и воздействием радикализованной плазменной струи на обрабатываемую подложку с образованием алмазного покрытия. При этом используется метан CH₄ или другой летучий углеводород в смеси с водородом или парами воды, различные смеси на основе монооксида углерода СО, в том числе с добавками инертных газов. На подложку подают постоянный отрицательный электрический потенциал, за счет которого она равномерно бомбардируется ионами из СВЧ-плазмы и наблюдается рост равномерной по толщине и структуре пленки. В случае осаждения из газовой фазы, в вакуумно-плотную камеру, снабженную системой регулировки подачи газа-генератора углерода (CH₄, CO, C₂H₂, C₂H₄) и водорода H₂, помещается изделие из вольфрама, в газовую форсунку СВЧ-плазмотрона подается смесь газов CH₄:Н₂=20:1 и зажигается СВЧ-разряд так, чтобы образующаяся плазма вблизи поверхности изделия имела температуру 3000-5000 К. После поджига плазмы и установления необходимых параметров, процесс продолжают в течение 12 ч. Недостатками известных способов является сложность управления и регулирования пространственным распределением магнитных полей, необходимость применения и трудность подготовки и поддержания необходимого состава газовой смеси, технические сложности, связанные с созданием магнитных полей объемными соленоидами, применение сложных конструкций генераторов СВЧ-энергии и ее подвода и необходимость зажигания СВЧ-разряда на частоте резонансного поглощения углеводородов. Кроме того, высокие температуры ограничивают и сужают номенклатуру обрабатываемых поверхностей.Known methods for producing coatings are with a diamond-like structure (patent RU 2105379, C23C 16/26, 1994), protective coatings (patent RU 2048607, C23C 16/26 1989), nanostructured diamond coatings (patent RU 2456387, C23C 16/513, 2010) , a diamond coating from the vapor phase (patent RU 2032765, C23C 14/00, 1988), layers of diamond-like carbon (patent RU 2205894, C23C 16/26, 1998). In known methods for coating a substrate, microwave plasma is used. Either in the electron cyclotron resonance mode in the atmosphere of a working gas or a mixture of gases, or by chemical deposition from the gas phase in a microwave plasma, or from a direct current thermal plasma with the radicalization of a gaseous carbon compound in a plasma jet and the action of a radicalized plasma jet on the treated substrate to form diamond coating. It uses methane CH ₄ or another volatile hydrocarbon mixed with hydrogen or water vapor, various mixtures based on carbon monoxide CO, including with the addition of inert gases. A constant negative electric potential is applied to the substrate, due to which it is uniformly bombarded by ions from the microwave plasma and an increase in film uniform in thickness and structure is observed. In the case of vapor deposition, a tungsten product is placed in a gas nozzle in a vacuum-tight chamber equipped with a system for adjusting the supply of a gas generator of carbon (CH ₄ , CO, C ₂ H ₂ , C ₂ H ₄ ) and hydrogen H ₂ A microwave plasma torch is fed with a mixture of gases CH ₄ : H ₂ = 20: 1 and a microwave discharge is ignited so that the plasma formed near the surface of the product has a temperature of 3000-5000 K. After igniting the plasma and establishing the necessary parameters, the process is continued for 12 hours. The disadvantages of the known methods is the complexity of management and regulation of spatial distribution of magnetic fields, the need for application and the difficulty of preparing and maintaining the necessary composition of the gas mixture, technical difficulties associated with the creation of magnetic fields by volume solenoids, the use of complex designs of microwave energy generators and its supply, and the need to ignite a microwave discharge at a frequency of resonant absorption of hydrocarbons. In addition, high temperatures limit and narrow the range of processed surfaces.

Известен способ нанесения твердого углеродного покрытия на лезвие и бритвенный блок (патент RU 2238185, С23С 14/06, 1995), в котором графитовая мишень распыляется катодным пятном вакуумного дугового разряда, благодаря чему образуется интенсивный поток плазмы ионов углерода, который осаждается на лезвие, имеющее отрицательный потенциал. В результате образуется покрытие из аморфного алмаза толщиной 0,1 мкм. Существенным недостатком является нестабильность катодного пятна, низкая энергоэффективность, невысокая эффективность испарения углерода и, как следствие, недостаточное воспроизведение свойств покрытия.A known method of applying a solid carbon coating on a blade and a razor block (patent RU 2238185, С23С 14/06, 1995), in which a graphite target is sprayed with a cathode spot of a vacuum arc discharge, due to which an intense plasma stream of carbon ions is formed, which is deposited on the blade having negative potential. As a result, an amorphous diamond coating with a thickness of 0.1 μm is formed. A significant drawback is the instability of the cathode spot, low energy efficiency, low efficiency of carbon evaporation and, as a result, insufficient reproduction of the properties of the coating.

Известен способ выращивания алмазоподобных покрытий распылением ионным пучком в варианте с дополнительным ионным источником Финкельштейна со стеклянной вакуумной камерой (Семенов А.П. Пучки распыляющих ионов: получение и применение. Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 1999, 207 с.). Графитовая мишень распылялась пучком ионов Ar⁺ плотностью тока 0,5-1 мА/см², энергией до 10 кэВ при давлении 7·10^-5 Па. Растущие слои осветлялись вспомогательным пучком ионов Ar⁺ или Ar⁺ и $C H_{4}^{+}$

энергией <2 кэВ и током 0,2-0,5 мА. Скорость наращивания слоев на расстоянии 15 см от мишени с учетом условия N₁/N₂<1, где N₁ и N₂ число атомов углерода, соответственно покидающих и падающих на ростовую поверхность, составляла 8,3·10^-3-1,7·10^-2 нм/с. Более значительные скорости роста получены в парах бензола при сравнительно высоком давлении. Недостатком способа является сложность процессов распыления и осветления, состоящих в необходимости использования дополнительного ионного пучка. В этих условиях трудно обеспечить оптимизацию технологических параметров и реализовать пересыщение атомов углерода, как необходимого условия синтеза алмаза. Поскольку энергия ионов, падающих на растущий слой, должна быть достаточно низкой, чтобы не допустить каскада атомных смещений, затрудняющих образование устойчивых sp³ связанных областей и приводящих к появлению энергетически более выгодной структуры sp² связанных атомов углерода.A known method of growing diamond-like coatings by ion-beam sputtering in an embodiment with an additional Finkelstein ion source with a glass vacuum chamber (A.P. Semenov. Sputter ion beams: preparation and use. Ulan-Ude: Publishing House of the BSC SB RAS, 1999, 207 pp.) . A graphite target was sputtered by an Ar ⁺ ion beam with a current density of 0.5-1 mA / cm ² , energy up to 10 keV at a pressure of 7 · 10 ^-5 Pa. The growing layers were clarified with an auxiliary beam of Ar ⁺ or Ar ⁺ ions and

C H_{four}^{+}

energy <2 keV and current 0.2-0.5 mA. The rate of layer growth at a distance of 15 cm from the target, taking into account the condition N ₁ / N ₂ <1, where N ₁ and N _{2 the} number of carbon atoms, respectively leaving and falling on the growth surface, was 8.3 · 10 ^-3 -1.7 · 10 ^-2 nm / s. More significant growth rates were obtained in benzene vapors at a relatively high pressure. The disadvantage of this method is the complexity of the processes of spraying and clarification, consisting in the need to use an additional ion beam. Under these conditions, it is difficult to optimize the technological parameters and realize the supersaturation of carbon atoms, as a necessary condition for the synthesis of diamond. Since the energy of ions incident on the growing layer should be low enough to prevent a cascade of atomic displacements that impede the formation of stable sp ³ bound regions and lead to the appearance of an energetically more favorable structure of sp ² bound carbon atoms.

Известен способ нанесения покрытия (патент RU 2052540, С23С 14/46, 1992). По которому, для упрочнения режущего инструмента, увеличения износостойкости трущихся деталей, защиты от агрессивных сред, повышенных температур, на поверхность изделия в вакууме наносят покрытие распылением мишени ионным пучком инертного или химически активного вещества или комбинацией этих веществ. Кроме того, производят предварительную обработку этим же ионным пучком поверхности изделия, притом во время нанесения покрытия на поверхность изделия часть ионного пучка (до 10 процентов тока пучка) направляют непосредственно на обрабатываемую поверхность изделия, обеспечивая непрерывную его очистку. К характерным недостаткам способа нанесения покрытия, принятого в качестве прототипа изобретения, относится невысокая эффективность процесса осаждения из-за перераспыления осаждаемых паров при наклонном падении ионного пучка (угол падения 45-60°), при котором коэффициент распыления оказывается сравнительно высоким. Кроме того, в этих условиях практически невозможно реализовать пересыщение атомов углерода как необходимого условия синтеза алмаза и обеспечить оптимизацию технологических параметров, ввиду высокой энергии атомов отдачи выбиваемых при наклонном падении ионов под углом 45-60°, преодолевающих поверхностный потенциальный барьер. По сути, наблюдается распыление поверхности.A known method of coating (patent RU 2052540, C23C 14/46, 1992). According to which, in order to harden the cutting tool, increase the wear resistance of rubbing parts, protect it from aggressive environments, and elevated temperatures, the surface of the product in vacuum is coated by spraying the target with an ion beam of an inert or chemically active substance or a combination of these substances. In addition, they pretreat the surface of the product with the same ion beam, moreover, during coating on the surface of the product, part of the ion beam (up to 10 percent of the beam current) is sent directly to the surface of the product to be processed, providing continuous cleaning. The characteristic disadvantages of the coating method adopted as a prototype of the invention include the low efficiency of the deposition process due to redistribution of the deposited vapors with oblique incidence of the ion beam (incidence angle of 45-60 °), at which the spray coefficient is relatively high. In addition, under these conditions it is practically impossible to realize the supersaturation of carbon atoms as a necessary condition for the synthesis of diamond and to ensure the optimization of technological parameters, due to the high energy of the recoil atoms knocked out at an inclined incidence of ions at an angle of 45-60 °, overcoming the surface potential barrier. In fact, surface spraying is observed.

Наиболее близким техническим решением является способ получения алмазоподобного покрытия (патент RU 2094528, С23С 16/26, 1995) с улучшенным качеством покрытия в условиях значительного упрощения технологии процесса. Способ получения алмазоподобного покрытия осуществляется методом катодного распыления графита в рабочей среде в виде смеси водорода или углеводорода с инертным газом при соотношении парциальных давлений от 100:1 до 1:100. Устройство для реализации способа состоит из вакуумной камеры, патрубков для откачки, подачи инертного газа, напуска углеводорода, распыляемых графитных катодов, анода, подложек, держателей подложек. Катоды и анод образуют ячейку Пеннинга, необходимую для осуществления катодного распыления графита. Способ осуществляется следующим способом. В вакуумной камере создается магнитное поле, необходимое для работы ячейки Пеннинга, которое получают, используя магнитную катушку Гельмгольца или постоянные магниты, обеспечивающие направление магнитного поля параллельно оси ячейки величиной, достаточной для возникновения разряда Пеннинга (0,02-0,07 Тл). В камеру на держатели помещают подложки. Вакуумная камера откачивается до предельного вакуума. В камеру подают углеводород (толуол) или водород до установления равновесия между количеством вновь поступающего и откачиваемого газа при требуемом парциальном давлении. Затем в камеру подают инертный газ, например криптон, как обеспечивающий максимальную скорость распыления графита и, значит, скорость образования алмазоподобного покрытия так, чтобы суммарное давление водорода (углеводорода) и инертного газа составляло 5·10^-3 Па. На анод подают положительный потенциал (обычно 4 кВ). Регулируя подачу инертного газа в пределах указанного диапазона давлений, устанавливают требуемый ток разряда (обычно 1-5 мА), начинают распыление графита, и на изделия осаждается алмазоподобное покрытие. Время проведения процесса определяют толщину полученного покрытия. Наилучший результат получен при добавлении водорода до давления 2,5·10^-3 Па, однако скорость нанесения покрытия составляет 24 нм/ч, еще ниже, чем при работе без водорода.The closest technical solution is a method for producing a diamond-like coating (patent RU 2094528, С23С 16/26, 1995) with improved coating quality under conditions of a significant simplification of the process technology. A method for producing a diamond-like coating is carried out by the method of cathodic atomization of graphite in a working medium in the form of a mixture of hydrogen or a hydrocarbon with an inert gas at a partial pressure ratio of 100: 1 to 1: 100. A device for implementing the method consists of a vacuum chamber, nozzles for pumping, inert gas supply, hydrocarbon inlet, atomized graphite cathodes, anode, substrates, substrate holders. The cathodes and the anode form the Penning cell necessary for the implementation of cathodic sputtering of graphite. The method is carried out in the following way. A magnetic field is created in the vacuum chamber necessary for the operation of the Penning cell, which is obtained using a Helmholtz magnetic coil or permanent magnets that ensure the magnetic field is parallel to the cell axis with a value sufficient for the Penning discharge to occur (0.02-0.07 T). In the chamber on the holders are placed the substrate. The vacuum chamber is pumped to the ultimate vacuum. Hydrocarbon (toluene) or hydrogen is introduced into the chamber until an equilibrium is established between the amount of newly introduced and pumped gas at the required partial pressure. Then, an inert gas, for example krypton, is fed into the chamber, which ensures the maximum rate of graphite atomization and, therefore, the rate of formation of a diamond-like coating so that the total pressure of hydrogen (hydrocarbon) and inert gas is 5 · 10 ^-3 Pa. A positive potential (typically 4 kV) is applied to the anode. By adjusting the inert gas supply within the specified pressure range, the required discharge current (usually 1-5 mA) is set, graphite atomization is started, and a diamond-like coating is deposited on the products. The process time determines the thickness of the resulting coating. The best result was obtained by adding hydrogen to a pressure of 2.5 · 10 ^-3 Pa, however, the coating rate is 24 nm / h, even lower than when working without hydrogen.

Недостатком таких разрядов является крайне низкая плотность тока распыляющих ионов при токах разряда 1-5 мА и, как следствие, низкая производительность и эффективность процесса. Размещение подложек на периферии разряда накладывает ограничения на скорость роста и управляемость синтеза алмазной фазы. Скорость роста недопустимо низкая 60 нм/ч. При этом, очевидно, возникает селективное травление зародышей графита ионами водорода, который практически не травит области с алмазным типом связи. К недостатку относится использование токсичного толуола.The disadvantage of such discharges is the extremely low current density of the spraying ions at discharge currents of 1-5 mA and, as a consequence, low productivity and process efficiency. The placement of substrates on the periphery of the discharge imposes restrictions on the growth rate and controllability of the synthesis of the diamond phase. The growth rate is unacceptably low 60 nm / h. In this case, obviously, selective etching of the graphite nuclei with hydrogen ions occurs, which practically does not etch the diamond-bonded region. The disadvantage is the use of toxic toluene.

Изобретение позволяет устранить указанные недостатки прототипа, повысить эффективность процесса, благодаря объединения в единый процесс распыление графита ионным пучком, частичную ионизацию распыленных паров углерода, осаждение распыленных паров углерода и ионов углерода в условиях ассистированного воздействия на неравновесные процессы в наращиваемом покрытии ионов плазмообразующего газа. При этом процесс проводится при больших пересыщениях, обеспечивающих высокую вероятность образования алмазных зародышей, и в условиях предотвращения образования как графитовой структуры, так и перехода образовавшейся алмазной фазы в графит. Таким образом, условия нанесения пленок таковы, что основным фактором является в ростовом процессе роль трех сортов частиц - паров углерода, ионов углерода и ионов плазмообразующего инертного газа. Техническая задача достигается новым компактным устройством получения ионов инертных газов, паров и ионов углерода на основе отражательного разряда с холодным полым катодом. Распыляемая ионами аргона с энергией до 10 кэВ плоская мишень (графит) устанавливается на периферии разряда за эмиссионным каналом в стенке дна изолированного от нее полого катода. Плотность потока ионов из катодной плазмы достигает 100 мА/см²при ускоряющем напряжении до 10 кВ и токе разряда 0,2-0,5 А. Пары, образующиеся при ионном распылении мишени, ионизуются в катодной и анодной полостях. Пучок, содержащий ионы плазмообразующего газа и пара, извлекается через дополнительный эмиссионный канал в отражательном катоде. Вместе с ионами выходит часть пара распыляемой мишени, поток которого достаточен для выращивания на токопроводящие лезвия и острия со скоростью ~0,03 нм/с наноразмерных слоев алмаза на расстоянии 0,1 м от эмиссионного канала, в условиях воздействия пучка ионов. Доля ионов углерода в извлекаемом пучке составляет 0,05-0,1. Полный ток ионного пучка 20-30 мА.The invention allows to eliminate these disadvantages of the prototype, to increase the efficiency of the process, due to the combination of graphite atomization by an ion beam, partial ionization of atomized carbon vapors, deposition of atomized carbon vapors and carbon ions under conditions of the assisted effect on nonequilibrium processes in the build-up coating of plasma-forming gas ions. The process is carried out at large supersaturations, which provide a high probability of the formation of diamond nuclei, and under conditions of preventing the formation of both a graphite structure and the transition of the formed diamond phase to graphite. Thus, the conditions for the deposition of films are such that the main factor in the growth process is the role of three types of particles — carbon vapors, carbon ions, and plasma-forming inert gas ions. The technical problem is achieved by a new compact device for the production of inert gas ions, vapors and carbon ions based on a reflective discharge with a cold hollow cathode. A flat target (graphite) sprayed by argon ions with an energy of up to 10 keV is mounted on the periphery of the discharge behind the emission channel in the bottom wall of the hollow cathode isolated from it. The density of the ion flux from the cathode plasma reaches 100 mA / cm ² with an accelerating voltage of up to 10 kV and a discharge current of 0.2-0.5 A. The vapors generated by ion sputtering of the target are ionized in the cathode and anode cavities. A beam containing plasma-forming gas and vapor ions is extracted through an additional emission channel in the reflective cathode. Along with the ions, a part of the vapor of the sputtered target comes out, the flow of which is sufficient for growing on conductive blades and tips with a speed of ~ 0.03 nm / s of nanoscale layers of diamond at a distance of 0.1 m from the emission channel, under the influence of an ion beam. The fraction of carbon ions in the extracted beam is 0.05-0.1. The total ion beam current is 20-30 mA.

Процесс получения углеродных слоев со свойствами алмаза осуществлялся по схеме фиг.1 с помощью устройства фиг.2. Получены наноразмерные углеродные слои толщиной 50-800 нм. Упрочняющие слои наносили на токопроводящие лезвия и острия осаждением потока пара и ионов углерода при прямом ассистированном воздействии ионов плазмообразующего инертного газа (высокое напряжение до 10 кВ подается на графитовую мишень 4, ускоряющее напряжение 0,12 кВ на токопроводящую подложку 11, фиг.1).The process of obtaining carbon layers with diamond properties was carried out according to the scheme of figure 1 using the device of figure 2. Nanosized carbon layers 50–800 nm thick were obtained. Reinforcing layers were applied to conductive blades and tips by deposition of a stream of steam and carbon ions under the direct assisted action of plasma-forming inert gas ions (high voltage up to 10 kV is applied to graphite target 4, accelerating voltage 0.12 kV on conductive substrate 11, Fig. 1).

Фазовый состав и морфология поверхности полученных наноразмерных углеродных покрытий исследовались с помощью дифракции рентгеновских лучей (дифрактометр Rigaku с Cuk_α-излучением), инфракрасной спектроскопии (спектрометр UR-20, интервал волновых чисел 700-4000 см^-1), комбинационного рассеяния света (использовалась линия 488 нм аргонового лазера, спектрометр Т6400ТА of Dilor-Jobin Yvon-spex и спектрометр ДФС-24, для возбуждения использовали линию гелий-неонового лазера, λ=632,8 нм) и атомно-силовой микроскопии (Digital Instruments, Nanoscope 3, contact mode, Si₃N₄ type).The phase composition and surface morphology of the obtained nanosized carbon coatings were studied using x-ray diffraction (Rigaku diffractometer with Cuk _α radiation), infrared spectroscopy (UR-20 spectrometer, wavelength range 700-4000 cm ^-1 ), Raman scattering (the line was used 488 nm argon laser, T6400TA of Dilor-Jobin Yvon-spex spectrometer and DFS-24 spectrometer; a helium-neon laser line, λ = 632.8 nm) and atomic force microscopy (Digital Instruments, Nanoscope 3, contact mode) were used for excitation , Si ₃ N ₄ type).

Возможность осуществления изобретения с использованием признаков способа, включенных в формулу изобретения, подтверждается примером его практической реализации.The possibility of carrying out the invention using the features of the method included in the claims is confirmed by an example of its practical implementation.

Пример. На фиг.1 представлена принципиальная упрощенная схема процесса получения углеродных слоев на токопроводящей подложке, осаждением ионов и паров углерода в условиях ассистированного воздействия ионами плазмообразующего инертного газа. Из газоразрядной плазмы 1 ионы аргона 2 через эмиссионный канал 3 ускоряются напряжением 10 кВ и распыляют графитовую мишень 4. Пары углерода 5 через эмиссионный канал 3 встречно потоку распыляющих ионов 2 проникают в катодную и анодную полости и частично ионизуются быстрыми вторичными электронами, выбиваемыми с мишени 4. Ионы углерода 7 через дополнительный эмиссионный канал 6 ускоряются напряжением 0,12 кВ и осаждаются на токопроводящей подложке 11. Часть пара 8 с энергией частиц углерода >10 эВ напрямую выходит через дополнительный эмиссионный канал 6 и осаждается совместно с ионами углерода 7, образуя углеродный слой 9. Наращивание слоя происходит при ассистированном воздействии ионов 10 плазмообразующего инертного газа. На рентгенограмме (дифрактометр Rigaku с Cuk_α излучением), осажденного углеродного слоя наблюдается дифракционный максимум (d=2,0364 Å), соответствующий структуре алмаза (фиг.3). В спектре комбинационного рассеяния (использовалась линия 488 nm аргонового лазера, спектрометр Т6400ТА of Dilor-Jobin Yvon-spex) углеродного слоя присутствуют полосы поглощения при 1330 см^-1 и 1600 см^-1, характерные для связей в алмазе (фиг.4). Результаты исследования поверхности углеродных слоев атомно-силовой микроскопией (Digital Instruments, Nanoscope 3, contact mode, Si3N4 type), свидетельствуют о том, что наблюдается глобулярная стадия роста с поверхностным размером частиц 50 нм и высотой 5 нм. Средняя высота неровностей поверхности составляет 6,425 нм.Example. Figure 1 presents a simplified schematic diagram of the process of producing carbon layers on a conductive substrate by the deposition of carbon ions and vapors under the conditions of assisted exposure to plasma-forming inert gas ions. From a gas-discharge plasma 1, argon ions 2 are accelerated by a voltage of 10 kV through an emission channel 3 and a graphite target 4 is sputtered. Carbon vapors 5 pass through an emission channel 3 into the cathode and anode cavities and are partially ionized by fast secondary electrons knocked out of target 4 Carbon ions 7 through an additional emission channel 6 are accelerated by a voltage of 0.12 kV and deposited on a conductive substrate 11. Part of the steam 8 with an energy of carbon particles> 10 eV directly exits through an additional emission channel 6 and is precipitated together with carbon ions 7, forming a carbon layer 9. The layer builds up with the assisted action of ions 10 of a plasma-forming inert gas. On the x-ray diffractometer (Rigaku diffractometer with Cuk _α radiation), the deposited carbon layer is observed diffraction maximum (d = 2.0364 Å), corresponding to the structure of diamond (Fig.3). In the Raman spectrum (used the 488 nm line of an argon laser, the T6400TA of Dilor-Jobin Yvon-spex spectrometer) the carbon layer contains absorption bands at 1330 cm ^-1 and 1600 cm ^-1 , characteristic of bonds in diamond (Fig. 4). The results of studying the surface of carbon layers by atomic force microscopy (Digital Instruments, Nanoscope 3, contact mode, Si3N4 type) indicate that there is a globular growth stage with a surface particle size of 50 nm and a height of 5 nm. The average height of surface irregularities is 6.425 nm.

На фиг.2 представлена предложенная новая конструкция устройства на основе отражательного разряда с полым катодом. Разряд характеризуется свойствами аномального тлеющего разряда, возбуждается в разрядной камере, образованной полым 20 (длина полого катода существенно меньше его диаметра) и отражательным 12 катодами и анодом 14 с отверстием ⌀16 и длиной 12 мм. На стенке 13 дна полого катода 20 и в отражательном катоде 12 выполнены осевые соосные соответственно, эмиссионный канал 3 и дополнительный эмиссионный канал 6 ⌀8 мм. В противоположной стенке полого катода 20 выполнено соосно с эмиссионными каналами отверстие 17, связывающее катодную и анодную полости. Расстояние между отражательным и полым катодами 10 мм. Анализ влияния радиуса анода и расстояния между катодами показывает, что их увеличение приводит к снижению концентрации осевой плазмы. Катоды 20 и 12, изолированные от анода 14 фторопластовыми прокладками, изготовлены из магнитной стали и служат полюсными наконечниками кольцевого магнита. Продольное магнитное поле в анодной полости с индукцией 0,1 Тл создается кольцевым постоянным ферритовым магнитом 15. Тепло от катодов и магнита отводится к медному корпусу разрядной камеры, охлаждаемому проточной водой. Анод 14 соединяется внутренним разъемом с внешним электрическим разъемом 16. На периферии полого катода 20, за эмиссионным каналом 3 на изолированном от катода держателе, установлена охлаждаемая водой плоская графитовая мишень 4 диаметром 6 мм. Расстояние между внешней плоскостью стенки дна полого катода и мишенью 4 мм. Катодная полость сообщается с анодной полостью через отверстие 17 ⌀4 мм. На токопроводящую мишень 4 подается напряжение до 10 кВ от регулируемого источника питания 18. Пары углерода, образующиеся при распылении мишени 4, поступают в катодную и анодную полости. При этом значительная часть пара выходит из разрядной камеры в направлении извлечения ионов углерода и плазмообразующего газа. Пары углерода, проходящие через дополнительный эмиссионный канал 6, совместно с ионами углерода конденсируются на подложке 11 с образованием наноразмерных слоев алмазоподобного углерода заданной структуры в условиях ассистированного воздействия ионами плазмообразующего газа Ar. Разрядное напряжение подается от стабилизированного источника тока 19 на промежуток «электрически соединенные катоды - анод». Напряжение горения для разрядных токов 0,1-0,5 А составляет 350-380 В. Рабочий газ - аргон. Его давление в катодной полости достигает 5-13 Па. Газ напускают через отверстие на периферии полого катода.Figure 2 presents the proposed new design of the device based on the reflective discharge with a hollow cathode. The discharge is characterized by the properties of an anomalous glow discharge, is excited in a discharge chamber formed by a hollow 20 (the length of the hollow cathode is much less than its diameter) and reflective 12 cathodes and anode 14 with a hole ⌀16 and a length of 12 mm. On the wall 13 of the bottom of the hollow cathode 20 and in the reflective cathode 12, axial coaxial are made, respectively, an emission channel 3 and an additional emission channel 6 ⌀ 8 mm. In the opposite wall of the hollow cathode 20, an opening 17 is made coaxially with the emission channels, connecting the cathode and anode cavities. The distance between the reflective and hollow cathodes is 10 mm. An analysis of the influence of the radius of the anode and the distance between the cathodes shows that their increase leads to a decrease in the concentration of axial plasma. The cathodes 20 and 12, isolated from the anode 14 by fluoroplastic gaskets, are made of magnetic steel and serve as pole tips of the ring magnet. A longitudinal magnetic field in the anode cavity with an induction of 0.1 T is created by an annular permanent ferrite magnet 15. Heat from the cathodes and magnet is removed to the copper casing of the discharge chamber cooled by running water. The anode 14 is connected by an internal connector to an external electrical connector 16. On the periphery of the hollow cathode 20, behind the emission channel 3 on a holder isolated from the cathode, a water-cooled flat graphite target 4 with a diameter of 6 mm is installed. The distance between the outer plane of the bottom wall of the hollow cathode and the target is 4 mm. The cathode cavity communicates with the anode cavity through an opening of 17 ⌀ 4 mm. A voltage of up to 10 kV is supplied to the conductive target 4 from an adjustable power source 18. Carbon vapors generated by sputtering of the target 4 enter the cathode and anode cavities. In this case, a significant part of the vapor leaves the discharge chamber in the direction of extraction of carbon ions and plasma-forming gas. Carbon vapors passing through an additional emission channel 6, together with carbon ions condense on the substrate 11 with the formation of nanosized layers of diamond-like carbon of a given structure under the conditions of the assisted action of plasma-forming gas ions Ar. The discharge voltage is supplied from a stabilized current source 19 to the gap "electrically connected cathodes - anode". The combustion voltage for discharge currents of 0.1-0.5 A is 350-380 V. The working gas is argon. Its pressure in the cathode cavity reaches 5-13 Pa. Gas is introduced through an opening at the periphery of the hollow cathode.

Устройство работает следующим образом. При подаче напряжения от источника 19 в несколько сотен вольт между катодами 20 и 12 и анодом 14 зажигается отражательный разряд. Полый анод 14 заполняется плазмой, слабое свечение которой можно наблюдать через дополнительный эмиссионный канал 6. При определенном критическом токе отражательного разряда протяженность участка катодного падения напряжения перед отверстием 17 становится соизмеримой с поперечными размерами отверстия, в результате ионная оболочка разрывается и плазма проникает в катодную полость. Проникновение плазмы сопровождается усилением разрядного тока, снижением напряжения горения, появлением тока в катодной полости и ярко светящегося плазменного шнура на оси разряда, что позволяет говорить о разряде с полым катодом. Плазма приобретает высокую эмиссионную способность. При подаче на мишень 4 от источника 18 напряжения до 10 кВ отрицательной полярности относительно стенки 13 полого катода 20 однократно заряженные ионы аргона из катодной плазмы ускоряются до энергии в несколько килоэлектронвольт и бомбардируют мишень 4. В результате мишень распыляется с образованием паров углерода и одновременно эмитирует вторичные электроны с энергией, равной энергии ионов. Пары проникают через эмиссионный канал 3 в катодную полость и через отверстие 17 - в анодную полость, где ионизуются. Часть паров конденсируется на стенках полого катода, часть проникает в дополнительный эмиссионный канал 6 и попадает на подложку 11. Пары со стенок тут же распыляются, но уже ионами, ускоренными в катодном падении напряжения % U_k~0,85 U_p (где U_p - напряжение горения разряда 350-380 В), так как пороговая энергия распыления существенно меньше U_k. При этом атомы пара получают кинетическую энергию, превышающую энергию связи (сублимации поверхности), которая составляет 0,645-8,76 эВ. Заметный вклад в снижение потерь пара дает распыление ионами пара со стенок катода. При ускоряющем напряжении до 10 кВ и токе разряда 0,2-0,5 А плотность потока распыляющих ионов из катодной плазмы достигает 100 мА/см². Осаждение части распыленных паров мишени на внутренней стенке полого катода свидетельствует о важной роли процесса вторичного распыления в повышении эффективности ионизации паров углерода. Низкая 0,05-0,1 степень ионизации способствует выходу через эмиссионный канал 6 потока пара, достаточного для выращивания тонких слоев алмазоподобного углерода со скоростью ~0,03 нм/с на подложке 11, установленной на расстоянии 5-10 мм от эмиссионного канала 6. Доля ионов углерода, выходящих через эмиссионный канал 6, составляет 0,05-0,1 относительно потока ионов плазмообразующего газа.The device operates as follows. When applying voltage from the source 19 to several hundred volts between the cathodes 20 and 12 and the anode 14, a reflective discharge is ignited. The hollow anode 14 is filled with plasma, a weak glow of which can be observed through an additional emission channel 6. At a certain critical current of the reflective discharge, the length of the cathode voltage drop section in front of the hole 17 becomes comparable with the transverse dimensions of the hole, as a result, the ionic shell breaks and the plasma penetrates the cathode cavity. The penetration of plasma is accompanied by an increase in the discharge current, a decrease in the burning voltage, the appearance of current in the cathode cavity and a brightly glowing plasma cord on the discharge axis, which allows us to speak of a discharge with a hollow cathode. Plasma gains high emissivity. When a voltage of up to 10 kV of negative polarity is applied to the target 4 from the source 18, with respect to the wall 13 of the hollow cathode 20, singly charged argon ions from the cathode plasma accelerate to several kiloelectron-volts of energy and bombard the target 4. As a result, the target is sputtered with the formation of carbon vapors and simultaneously emits secondary electrons with an energy equal to the energy of ions. Vapors penetrate through the emission channel 3 into the cathode cavity and through the hole 17 into the anode cavity, where they are ionized. Part of the vapor condenses on the walls of the hollow cathode, part penetrates into the additional emission channel 6 and enters the substrate 11. Vapors from the walls are immediately sprayed, but by ions accelerated in the cathode voltage drop% U _k ~ 0.85 U _p (where U _p - discharge burning voltage 350-380 V), since the threshold atomization energy is significantly less than U _k . In this case, the vapor atoms receive kinetic energy in excess of the binding energy (sublimation of the surface), which is 0.645-8.76 eV. A noticeable contribution to the reduction of vapor losses is made by sputtering by vapor ions from the walls of the cathode. At an accelerating voltage of up to 10 kV and a discharge current of 0.2-0.5 A, the density of the flow of atomizing ions from the cathode plasma reaches 100 mA / cm ² . The deposition of part of the sprayed target vapors on the inner wall of the hollow cathode indicates the important role of the secondary sputtering process in increasing the efficiency of carbon vapor ionization. A low 0.05-0.1 degree of ionization promotes the exit through the emission channel 6 of a vapor stream sufficient to grow thin layers of diamond-like carbon at a rate of ~ 0.03 nm / s on a substrate 11 installed at a distance of 5-10 mm from the emission channel 6 The proportion of carbon ions exiting through the emission channel 6 is 0.05-0.1 relative to the plasma ion flow of the gas.

Предложенный способ получения покрытий алмазоподобного углерода и устройство для его осуществления характеризуется неограниченной возможностью получения слоев алмазоподобной структуры при низких температурах и давлениях, причем распылением графита ионным пучком достигнуты приемлемые для ряда технологических применений условия получения паров углерода. Особенно выделяется управляемый синтез углеродных покрытий структуры алмаза в широкой области свойств посредством управления параметрами и характеристиками ионного распыления, ионного осаждения и ионного облучения, задающими высокое содержание углеродных фаз с sp³ валентной гибритизацией электронов. Кроме того, как показали эксперименты, достоинства устройства нашли подтверждение применительно к следующим процессам:The proposed method for producing diamond-like carbon coatings and a device for its implementation is characterized by the unlimited possibility of producing layers of diamond-like structure at low temperatures and pressures, and the conditions for producing carbon vapors acceptable for a number of technological applications have been achieved by sputtering graphite by an ion beam. Particularly distinguished is the controlled synthesis of carbon coatings of the diamond structure in a wide range of properties by controlling the parameters and characteristics of ion sputtering, ion deposition and ion irradiation, which specify a high content of carbon phases with sp ³ valence electron hybridization. In addition, experiments showed that the advantages of the device were confirmed in relation to the following processes:

- препарирование (активирование, очистка) поверхности подложки пучком ионов аргона (ускоряющее напряжение до 20 кВ);- preparation (activation, cleaning) of the substrate surface with an argon ion beam (accelerating voltage up to 20 kV);

- получение наноразмерных слоев из паров токопроводящей мишени, причем в потоке пара доминируют частицы с энергией ≥10 эВ (на мишень подается напряжение отрицательной полярности до 10 кВ);- obtaining nanosized layers from the vapors of a conductive target, and particles with an energy of ≥10 eV dominate in the vapor stream (a voltage of negative polarity up to 10 kV is applied to the target);

- получение наноразмерных слоев из потока пара и ионов при воздействии ионов плазмообразующего газа;- obtaining nanosized layers from a stream of vapor and ions when exposed to plasma-forming gas ions;

- проведение пересыщения в процессе получения наноразмерных алмазных слоев воздействием ионным пучком на структуру углеродного конденсата.- carrying out supersaturation in the process of obtaining nanoscale diamond layers by the action of an ion beam on the structure of carbon condensate.

Claims

1. A method of producing coatings of diamond-like carbon on a conductive substrate, including the generation of a gas-discharge plasma, high-voltage emission of spraying ions from a plasma, sputtering of a graphite target with accelerated ions of a plasma-forming inert gas to form carbon vapors, condensation of vapors and carbon ions on a substrate in contact with a gas-discharge plasma, characterized in that the flow of carbon vapors is allowed into the cathode and anode cavities through an opening in the opposite direction to the flow through the hole in the bottom of the hollow cathode up to 10 kV of sputtering ions and ionize in a hollow cathode discharge, a part of the carbon vapor stream is discharged through the emission channel in the reflective cathode in one direction and together with the stream of formed carbon ions and plasma-forming inert gas ions, vapor deposition and carbon ions are carried out under direct controlled exposure to ions of a plasma-forming inert gas with an energy of 0.12 keV.

2. A device for producing coatings of diamond-like carbon on a conductive substrate containing a graphite target, a hollow and reflective cathodes, a cylindrical anode, a magnetic system, a plasma-inert gas inlet system, electrical power sources and a substrate, characterized in that in the end walls of the cylindrical hollow cathode two axial coaxial holes are made, in one hole at the bottom of the hollow cathode, a graphite target is isolated from the hollow cathode under a high negative electric potential, another hole connects the cathode and anode cavities, an axial emission channel is made in the reflective cathode, on the periphery of which there is a substrate under the negative electric potential, to which carbon vapors, carbon ions and plasma-forming argon gas ions are directed.